CN113560338B - 多元复合稀土钨合金线材及其轧制工艺和电极 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多元复合稀土钨合金线材及其轧制工艺和电极，涉及难熔金属的加工制造技术领域。多元复合稀土钨合金线材的轧制工艺采用n道次依次进行轧制，所述n为4‑8之间的整数；其中，所述n道次中的每道次的轧制压缩比均为2‑17%。一种多元复合稀土钨合金线材，根据多元复合稀土钨合金线材的轧制工艺轧制得到。本发明提供的多元复合稀土钨合金线材轧制工艺过程可控性好、生产效率高、减小了劳动强度，线材变形均匀，纤维组织搭接良好，内部组织均匀，密度可达18.9g/cm³。本发明提供的多元复合稀土钨合金线材制成的电极具有熔点高，密度高、抗烧损的特点，还具有良好的导电性。

Description

多元复合稀土钨合金线材及其轧制工艺和电极

技术领域

本发明涉及难熔金属的加工制造技术领域，尤其是涉及一种多元复合稀土钨合金线材及其轧制工艺和电极。

背景技术

稀土钨合金用作电极材料应用于惰性气体保护焊、等离子焊接、激光、切割等领域。开坯旋锻是多元复合稀土钨合金加工过程中的第一道工序，传统操作方法是工人用长柄钳夹住钨条，从钼丝炉内取出送入高速转动旋锻机加工钨杆的一半，然后再加热后旋锻钨杆的另一半，达到整根棒料同时减径的目的，如此反复旋锤锻打，直到达到要求。旋锻是钨线材生产的关键加工工序，存在以下缺陷：

劳动强度大；

工艺可控性差；

单次变形量少；

变形不均匀；

生产效率低。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多元复合稀土钨合金线材的轧制工艺，以解决现有技术中工艺可控性差、劳动强度大、单次变形量少、变形不均匀和生产效率低的技术问题。

本发明的第二目的在于提供一种多元复合稀土钨合金线材，具有高密度和低孔隙率的特点。

本发明的第三目的在于提供一种电极，具有熔点高，高密度，抗烧损的特点，还具有良好的导热性和导电性。

为解决上述技术问题，本发明特采用如下技术方案：

本发明的第一方面提供了一种多元复合稀土钨合金线材的轧制工艺，采用n道次依次进行轧制，所述n为4-8之间的整数。

其中，所述n道次中的每道次的轧制压缩比均为2-17%。

进一步地，所述n道次中轧制温度随着轧制过程依次减小。

优选地，轧制前通过加热炉进行加热。

优选地，所述加热炉包括炉管和炉丝。

进一步地，采用8道次进行轧制，包括依次设置的第一道次，第二道次，第三道次，第四道次，第五道次，第六道次，第七道次和第八道次。

优选地，第一道次和第二道次的轧制压缩比为13-17%。

优选地，第三道次和第四道次的轧制压缩比为12-9%。

优选地，第五道次和第六道次的轧制压缩比为9-7%。

优选地，第七道次和第八道次的轧制压缩比为6-2%。

进一步地，所述第一道次和第二道次的轧制温度为1560-1520℃。

优选地，第三道次和第四道次的轧制温度为1510-1470℃。

优选地，第五道次和第六道次的轧制温度为1465-1430℃。

优选地，第七道次和第八道次的轧制温度为1370-1420℃。

进一步地，还包括在第一道次轧制前的加热工艺，加热温度为1600-1650℃保温30-50min。

优选地，还包括在第四道次轧制结束后第五道次轧制开始前的加热工艺，所述加热温度为1480-1530℃。

优选地，还包括在第六道次轧制结束后第七道次轧制开始前的加热工艺，所述加热温度为1430-1460℃。

进一步地，还包括第八道次轧制后的退火工艺。

优选地，所述退火的温度为1350-1450℃，退火的时间为3-10min。

进一步地，多元复合稀土钨合金线材的输送速度为4-10m/s。

进一步地，所述多元复合稀土钨合金线材由多元复合稀土钨合金制成。

所述多元复合稀土钨合金包括稀土氧化物。

优选地，所述稀土氧化物的含量≤2wt%，余量为钨。

优选地，所述稀土氧化物包括氧化镧、氧化钇、氧化铈或氧化锆中的至少一种。

本发明的第二方面提供了一种多元复合稀土钨合金线材，由第一方面所述的多元复合稀土钨合金线材的轧制工艺轧制得到。

本发明的第三方面提供了一种电极，由第二方面所述的多元复合稀土钨合金线材制备得到。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1．本发明提供的多元复合稀土钨合金线材轧制工艺采用多道轧辊轧制，每一道轧制过程采用特定的压缩比，保证线材中稀土元素和钨元素变形同步，形成整体的纤维组织。本发明提供的多元复合稀土钨合金线材轧制工艺过程可控性好，减小了劳动强度，线材变形均匀，变形量可达74%。

2．本发明提供的多元复合稀土钨合金线材，轧制中未产生裂纹，稀土元素和基体钨材纤维组织搭接良好，内部组织均匀，致密度高，密度可达18.9g/cm³。

3．本发明提供的电极具有熔点高，高密度，抗烧损的特点，还具有良好的导热性和导电性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的轧制前的金相图，图1中的（a）为轧制前表层区域的金相图，图1中的（b）为轧制前芯部区域的金相图；

图2为本发明实施例1提供的轧制后的金相图，图2中的（a）为轧制后表层区域的金相图，图2中的（b）为轧制后芯部区域的金相图；

图3为本发明对比例1提供的金相图，图3中的（a）为旋锻后表层区域的金相图，图3中的（b）为旋锻后芯部区域的金相图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，开坯旋锻是多元复合稀土钨合金加工过程中的第一道工序，是钨合金产品质量、生产效率及能耗的关键工序，也是温度最高的一道工序。加工一批料（12kg）要1个小时，会产生2%的废料，也是产生废料最为集中的工序，能耗占整体加工生产线的40%。具体操作为：先把钨条用10孔钼丝炉加热到1500℃以上，工人用长柄钳夹住钨条，从钼丝炉内取出送入高速转动旋锻机加工钨杆的一半，然后再加热后旋锻钨杆的另一半，达到整根棒料同时减径的目的，如此反复旋锤锻打，由于钨条加热频次多导致热量浪费严重，每次加工道次有限加工时间长能耗大；在加工过程中全部是手动操作，效率低、人为影响因素多。

根据本发明第一方面提供的多元复合稀土钨合金线材的轧制工艺，采用n道次依次进行轧制，所述n为4-8之间的整数；

其中，所述n道次中的每道次的轧制压缩比均为2-17%。

本发明提供的多元复合稀土钨合金线材的轧制工艺，由于多元复合稀土钨合金在加工过程中，有纯钨还有稀土元素，需要同步协调变形，而稀土元素为第二相在钨的晶界中，在初始加工阶棒材温度较高，稀土元素容易变形，形成整体的纤维组织，方便后续加工，一旦温度降低稀土元素断裂，会成为后期加工的裂纹源形成裂纹。采用特定的轧制压缩比，在轧制过程中不产生裂纹，稀土元素和基体钨合金纤维组织搭接良好，产品质量好，利于后期的使用和加工。本发明提供的多元复合稀土钨合金线材轧制工艺过程可控性好，减小了劳动强度，线材变形均匀，变形量可达74%。

轧制是一种金属加工工艺，将多元复合稀土钨合金坯料通过一对旋转轧辊的间隙（各种形状），因受轧辊的压缩使材料截面减小，长度增加的压力加工方法。轧制过程就指的是多元复合稀土钨合金线材在轧辊间变形的力学过程。

多元复合稀土钨合金线材经过一次轧制是一个道次，再经过一次轧制是2个道次，依此类推，经过n次轧制是n个道次。

轧制压缩比是指轧制前多元复合稀土钨合金线材直径和轧制后直径的比值。为了能提高轧机的生产率，减小变形的不均匀性，获得组织比较均匀的多元复合稀土钨合金线材，应加大道次压缩比，但是随着道次的增加，合金温度降低，变形抗力增大，因此在后续道次中应减小道次压缩比。在本发明的一种优选实施方式，轧制压缩比典型但非限制性的为17%，12%，8%，4%或2%。

进一步地，所述n道次中轧制温度随着轧制过程依次减小。

优选地，轧制前通过加热炉进行加热。

优选地，所述加热炉包括炉管和炉丝。

轧制过程中，因为散热和轧机吸收多元复合稀土钨合金线材热量，轧制温度随着轧制过程依次减小，多元复合稀土钨合金线材可塑性降低，轧制压缩比也依次减小。多元复合稀土钨合金线材温度降低，此时轧制易发生脆性断裂，影响轧制效果。

轧制温度较低会使得多元复合稀土钨合金线材产生较大的变形抗力，大变形量会形成内部细小裂纹，后续轧制中裂纹连结，发生断裂，且低温下多元复合稀土钨合金线材中钨晶粒更趋向于沿着轧制方向变形，所以当温度远远低于再结晶温度时，晶胞拉长成条状，形成严重的各向异性，降低产品的加工性能，影响其使用。

为保证轧制过程的顺利进行，防止轧制过程出现裂纹，轧制中需要对多元复合稀土钨合金线材进行回炉加热，保持多元复合稀土钨合金线材的可加工性。在轧制过程中，如果线材温度降低过多，不在下一道次轧制温度范围内，需要对线材进行加热；如果线材温度在下一道次轧制温度范围内，则无需加热，直接进入下一道次的轧制过程。

根据多元复合稀土钨合金线材的特点，对其进行炉管加热的方式提高线材温度，炉管加热提高了加热效率。

进一步地，采用8道次进行轧制，包括依次设置的第一道次，第二道次，第三道次，第四道次，第五道次，第六道次，第七道次和第八道次。

优选地，第一道次和第二道次的轧制压缩比为13-17%。

优选地，第三道次和第四道次的轧制压缩比为12-9%。

优选地，第五道次和第六道次的轧制压缩比为9-7%。

优选地，第七道次和第八道次的轧制压缩比为6-2%。

本发明使用先进的两辊轧制技术，8道两辊对多元复合稀土钨合金线材平立轧制，两辊平立轧机的各个道次机架轧辊是由各个不同的变频电机驱动，同时改变各个道次机架轧辊孔型和转速，达到各个道次机架的同步。

加工轧辊还可改变孔型，两辊平立轧机可以轧制不同尺寸的多元复合稀土钨合金线材，该轧机比同类产品工效高。加工时首先将多元复合稀土钨合金线材加热到所需温度，然后将多元复合稀土钨合金线材送入轧机，进行第一道次轧制。由于多元复合稀土钨合金中掺入了稀土元素，而稀土元素在钨合金棒中以第二相的形式存在于钨晶粒之间的晶界处，在加工变形过程中受力过大变形量过大都容易产生裂纹，导致多元复合稀土钨合金线材断裂。在本发明的一种优选实施方式中，设计了8道轧辊的孔隙适宜多元复合稀土钨合金线材的轧制压缩比，进行多元复合稀土钨合金线材的轧制。

采取一火两道次能减少两道次之间的时间，能够保证线材温度，提高线材可塑性，纤维组织更细小均匀。轧制过程中，多元复合稀土钨合金线材的温度低会导致轧制断裂；温度高导致粘连轧辊。变形量超过17%，多元复合稀土钨合金线材中稀土和钨合金之间协调变形性不佳，会导致多元复合稀土钨合金线材断裂；变形量低于2%，心部和边缘达不到同步变形。

进一步地，所述第一道次和第二道次的轧制温度为1560-1520℃。

优选地，第三道次和第四道次的轧制温度为1510-1470℃。

优选地，第五道次和第六道次的轧制温度为1465-1430℃。

优选地，第七道次和第八道次的轧制温度为1370-1420℃。

进一步地，还包括在第一道次轧制前的加热工艺，加热温度为1600-1650℃保温30-50min。

优选地，还包括在第四道次轧制结束后第五道次轧制开始前的加热工艺，所述加热温度为1480-1530℃。

优选地，还包括在第六道次轧制结束后第七道次轧制开始前的加热工艺，所述加热温度为1430-1460℃。

多元复合稀土钨合金线塑性温区窄。如果开轧温度过低，多元复合稀土钨合金的变形抗力很大，不仅会造成轧件因变形阻力过大而无法塑性变形，而且会对轧机及设备造成损坏。开轧温度过高，会使多元复合稀土钨合金发生再结晶造成晶粒长大，从而使轧件成为废品。多元复合稀土钨合金在1200℃以前，塑性没有明显的变化，当温度超过1400℃时，塑性才明显提高，因此在本发明的一些优选实施方式中，第一道轧制前的加热温度为1600-1650℃，加热温度典型但非限制性的为1600℃，1610℃，1630℃或1650℃。加热后保温是为了确保轧件内部温度也在轧制温度范围内，防止受热不均匀导致轧制中多元复合稀土钨合金线材开裂。保温时间典型但非限制性的为30min，40min或50min。

进一步地，还包括第八道次轧制后的退火工艺。

优选地，所述退火的温度为1350-1450℃，退火的时间为3-10min。

退火是一种多元复合稀土钨合金的热处理工艺，指的是将多元复合稀土钨合金线材缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却。目的是降低硬度，改善切削加工性；降低残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。

由于多元复合稀土钨合金在加工过程中存在一定的加工硬化和加工残余应力，应尽可能提高均匀化退火温度。根据不同多元复合稀土钨合金的线材直径，多元复合稀土钨合金再结晶开始温度为1150-1300℃，再结晶终了温度为1400-1600℃，由于少量的再结晶有利于多元复合稀土钨合金塑性提高，故可采用的退火温度1350-1450℃，保温3-10min。在轧制过程中，经过每道次轧制将使得多元复合稀土钨合金产生内应力，若没有经过退火处理，内应力逐渐增大，超过应力极限后将导致裂纹的产生，因此轧制工艺最后还包括退火工艺，消除轧制过程中的内应力，避免缺陷的产生。

在本发明的一种优选实施方式中，退火温度典型但非限制性的为1350℃，1400℃或1450℃；退火时间典型但非限制性的为3min，6min或10min。

进一步地，多元复合稀土钨合金线材的输送速度为4-10m/s。

多元复合稀土钨合金线材的输送速度对生产率和终轧温度有直接影响，如果输送速度过低，将导致多元复合稀土钨合金线材温降增大，且生产率低下。输送速度也间接地影响变形速度，从而影响多元复合稀土钨合金线材的软化和硬化过程，使得塑性发生变化。总体而言，提高多元复合稀土钨合金线材的输送速度有利于轧制的进行。但在第一道轧制开始时，为改善咬入条件，可降低多元复合稀土钨合金线材的输送速度，后续随多元复合稀土钨合金线材直径变细可提高输送速度。在本发明的一些优选实施方式中，多元复合稀土钨合金线材的输送速度典型但非限制性的为4m/s，7m/s或10m/s。

进一步地，所述多元复合稀土钨合金线材由多元复合稀土钨合金制成。

所述多元复合稀土钨合金包括稀土氧化物。

优选地，所述稀土氧化物的含量≤2wt%，余量为钨。

优选地，所述稀土氧化物包括氧化镧、氧化钇、氧化铈或氧化锆中的至少一种。

根据本发明第二方面提供的多元复合稀土钨合金线材，由第一方面所述的多元复合稀土钨合金线材的轧制工艺轧制得到。

本发明提供的多元复合稀土钨合金线材组织均匀，密度和致密度高。

本发明的第三方面提供了一种电极，由第二方面所述的多元复合稀土钨合金线材制备得到。

本发明提供的电极具有熔点高，高密度，抗烧损的特点，还具有良好的导热性和导电性。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。以下实施例中使用的多元复合稀土钨合金线材为江苏北钨新材料科技公司生产的多元稀土钨合金棒材，棒材的直径为15.5mm，多元稀土棒材中的掺杂稀土氧化物摩尔比例为La₂O₃：Y₂O₃：CeO₂=1:3:1，稀土氧化物设计总质量分数为2wt%。

实施例1

本实施例提供一种多元复合稀土钨合金线材，在钨合金轧制过程中首先将钨合金棒材Φ15.5mm放入加热炉内进行加热到1600℃，然后送入轧机内进行轧制；从Φ15.5mm轧制到Φ8.0mm总变形量为74%，共分8道压缩孔型直径依次为14.29-12.96-12.09-10.96-9.03-8.3-8.63-8.0，每道次压缩比分别为15%、15%、10%、10%、8%、8%、5%、3%，每道次加工温度1550℃、1530℃、1500℃、1480℃、1460℃、1440℃、1400℃、1380℃，整体加工速度10m/s。轧制后进行退火处理，具体的退火温度为：1400℃；退火时间为5min。

实施例2

本实施例提供一种多元复合稀土钨合金线材，与实施例1不同的是，共分4道轧制，每道次压缩孔型直径依次为12.87-10.68-9.29-8.08，每道次压缩比分别为17%、17%、13%、13%，每道次加工温度1550℃、1530℃、1500℃、1480℃，其他步骤均与实施例1相同，在此不再赘述。

实施例3

本实施例提供一种多元复合稀土钨合金线材，与实施例1不同的是，共分10道压缩孔型直径依次为13.95-12.56-11.55-10.63-9.99-9.49-9.10-8.83，每道次压缩比分别为10%、10%、8%、8%、6%、5%、4%、3%，每道次加工温度1550℃、1530℃、1500℃、1480℃、1460℃、1440℃、1400℃、1380℃、1360℃、1340℃，其他步骤均与实施例1相同，在此不再赘述。

实施例4

本实施例提供一种多元复合稀土钨合金线材，与实施例1不同的是，共分8道压缩孔型直径依次为15.04-14.28-13.14-12.09-10.88-9.79-8.32-7.07，每道次压缩比分别为3%、5%、8%、8%、10%、10%、15%、15%，其他步骤均与实施例1相同，在此不再赘述。

对比例1

本对比例提供一种旋锻得到的多元复合稀土钨合金线材，把多元稀土钨合金线材由Φ15.5mm加工到Φ8.0mm，开坯的温度为1600℃，保温25min后进行旋锻，工人用长柄钳夹住线材送入高速转动旋锻机加工多元稀土钨合金线材的一端，然后再加工多元稀土钨合金线材的另一端，使整根棒料同时减径，加工完毕要9道模，每道模加工2次，总共需要加工18次，如此反复旋锤锻打，得到旋锻后的多元复合稀土钨合金线材。

对比例2

本对比例提供一种多元复合稀土钨合金线材，与实施例1不同的是，共分1道轧制，压缩孔型直径为12.87，道次压缩比为17%，加工温度为1550℃，其他步骤均与实施例1相同，在此不再赘述。

对比例3

本对比例提供一种多元复合稀土钨合金线材，与实施例1不同的是，共分2道轧制，压缩孔型直径为12.87-10.81，道次压缩比分别为17%，16%，其他步骤均与实施例1相同，在此不再赘述。

试验例1

将实施例1-4和对比例1-3得到的多元复合稀土钨合金线材，对其进行密度和孔隙率测量，得到的数据如下表1所示。

表1多元复合稀土钨合金线材性能数据表

试验例2

将实施例1和对比例1得到的多元复合稀土钨合金线材对表层区域和中心区域拍摄金相图，图1为本发明实施例1提供的轧制前的金相图，图1中的（a）为轧制前表层区域的金相图，图1中的（b）为轧制前芯部区域的金相图；图2为本发明实施例1提供的轧制后的金相图，图2中的（a）为轧制后表层区域的金相图，图2中的（b）为轧制后芯部区域的金相图；图3为本发明对比例1提供的金相图，图3中的（a）为旋锻后表层区域的金相图，图3中的（b）为旋锻后芯部区域的金相图。

轧制前的晶粒呈等轴状，晶粒晶界清晰，第二相主要分布在晶界处，晶粒大小均匀。旋锻开坯晶粒在径向方向上伸长，相较于轧制前的晶粒，晶粒发生剧烈长大，表层区域和芯部区域晶粒尺寸不同，表面区域晶粒尺寸小于芯部区域晶粒尺寸，组织不均匀性显著。轧制后晶粒在轧制方向上伸长，晶粒相互挤压、重叠的加工组织，纤维化程度高。表层和芯部区域晶粒大小均匀，小于旋锻晶粒尺寸。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种多元复合稀土钨合金线材的轧制工艺，其特征在于，采用8道次依次进行轧制，包括依次设置的第一道次，第二道次，第三道次，第四道次，第五道次，第六道次，第七道次和第八道次；

第一道次和第二道次的轧制压缩比为13-17%；

第三道次和第四道次的轧制压缩比为12-9%；

第五道次和第六道次的轧制压缩比为9-7%；

第七道次和第八道次的轧制压缩比为6-2%；

所述第一道次和第二道次的轧制温度为1560-1520℃；

第三道次和第四道次的轧制温度为1510-1470℃；

第五道次和第六道次的轧制温度为1465-1430℃；

第七道次和第八道次的轧制温度为1370-1420℃；

在第一道次轧制前的加热工艺，加热温度为1600-1650℃保温30-50min；

在第四道次轧制结束后第五道次轧制开始前的加热工艺，所述加热温度为1480-1530℃；

在第六道次轧制结束后第七道次轧制开始前的加热工艺，所述加热温度为1430-1460℃；

第八道次轧制后的退火工艺，所述退火的温度为1350-1450℃，退火的时间为3-10min；

其中，所述多元复合稀土钨合金线材由多元复合稀土钨合金制成；

所述多元复合稀土钨合金包括稀土氧化物；

所述稀土氧化物的含量≤2wt%，余量为钨；

所述稀土氧化物包括氧化镧、氧化钇、氧化铈或氧化锆中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的多元复合稀土钨合金线材的轧制工艺，其特征在于，多元复合稀土钨合金线材的输送速度为4-10m/s。

3.一种多元复合稀土钨合金线材，其特征在于，根据权利要求1或2所述的多元复合稀土钨合金线材的轧制工艺轧制得到。

4.一种电极，其特征在于，根据权利要求3所述的多元复合稀土钨合金线材制备得到。

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